Сверхпроводник нарушает правила
Удивительное открытие: исследователи обнаружили металлический гидрид, содержащий больше водорода, чем считалось ранее возможным. В соединении циркония, ванадия и водорода атомы водорода находятся на расстоянии всего 0,16 нанометров друг от друга - и тем самым нарушают так называемый критерий Свитендика. Это удивительное открытие могло бы проложить путь к сверхпроводимости при комнатной температуре и нормальном давлении, сообщают исследователи.
"В течение десятилетий сверхпроводимость при комнатной температуре и атмосферном давлении была чем-то вроде святого Грааля", - объясняет соавтор Рассел Хемли из Университета Иллинойса в Чикаго. "Потому что это может сделать обычные электрические системы и устройства сверхпроводящими."
Правило расстояния для водорода
Действительно, в последние годы исследователи, по крайней мере, приблизились к этой цели: особенно металл-водородные соединения, такие как сероводород и гидрид лантана, теряют свое электрическое сопротивление даже при температурах от минус 70 до минус 23 градусов. Однако для этого эти гидриды должны быть подвергнуты огромному давлению. Потому что только это заставляет атомы водорода сжиматься так плотно, что сверхпроводимость срабатывает, о чем свидетельствуют эксперименты.
Причина: Согласно так называемому критерию Свитендика, атомы водорода в металлических гидридах не могут быть ближе друг к другу, чем 2,1 ангстрема - 0,21 нанометра. Если они находятся ближе друг к другу, то отталкивают друг друга, и поэтому потенциальное место крепления остается пустым. Это ограничивает водородный заряд металлического гидрида и, следовательно, его пригодность в качестве сверхпроводника.
Загадочный пик в спектре
Но теперь выясняется, что некоторые гидриды металлов, по-видимому, могут обойти это «правило расстояния». Это было обнаружено Хемли, первым автором Андреасом Борщулте из Швейцарской федеральной лаборатории по испытаниям и исследованию материалов Empa и ее командой при анализе гидрида циркония-ванадия (ZrV 2 H x ) с помощью нейтронной спектроскопии. Вибрации на определенных уровнях энергии позволяют сделать выводы о структуре твердого тела.
Удивительный результат: в спектре этого Металлогидрида, помимо ожидаемых высыпаний, произошел дополнительный пик в 50 миллиэлектронвольт. "Этот пик находится в спектральной области, где не ожидается вибрации", - говорят исследователи. Ни одна из распространенных моделей не смогла объяснить эту сыпь в спектре, тем не менее дальнейшие исследования подтвердили существование этого пика.
Ниже предела Свитендика
Но в чем причина? В поисках объяснения Борщулте и его команда провели более 3000 симуляций на суперкомпьютере, в ходе которых они испытали различные процессы и атомные конфигурации в материале. В конце концов, было только одно правдоподобное объяснение: "Такая спектральная интенсивность при 50 миллиэлектрон вольт возникает только в том случае, если расстояние между двумя атомами водорода составляет менее двух ангстрем", - утверждают исследователи.
Другими словами, по крайней мере, некоторые атомы водорода в гидриде циркония-ванадия должны нарушать критерий Свитендика. "Количество этих атомов невелико, но этого достаточно, чтобы генерировать неожиданный пик при 50 миллиэлектрон вольт", - говорит Борщулте и его коллеги. Это первое наблюдение такой маленькой водородной щели в гидриде металла - и первое известное исключение из критерия Свитендика в таком материале.
Возможность использования сверхпроводников при комнатной температуре
Открытие этого исключительного материала теперь открывает совершенно новые возможности для продвижения поиска сверхпроводников при комнатной температуре. Это может означать, что гидриды металлов, пригодные для сверхпроводимости, могут поглощать больше водорода, чем считалось ранее. Это, в свою очередь, могло бы легче перевести их в сверхпроводящее состояние и сделать ненужным ранее высокое давление.
"Мы надеемся, что дешевый, стабильный металл, такой как гидрид циркония ванадия, может быть адаптирован для того, чтобы стать таким сверхпроводником", - говорит Хемли. Однако неожиданно плотная упаковка водорода в этом материале может также открыть возможности для разработки эффективных твердотельных накопителей водорода - устройств хранения, которые затем могли бы служить в качестве накопителей химической энергии, например, для ветровой и солнечной энергии.